1. Этиология повреждения клетки

Повреждение клетки - такие изменения ее структуры, физико-химических свойств и функций, которые ведут к нарушению жизнедеятельности.

Повреждение клетки — результат воздействия на неё множества патогенных агентов. Причины повреждения клетки классифицируют по природе патогенных факторов, их происхождению и эффектам.

Природа повреждающего фактора может быть физической, химической и биологической

Причины повреждения клеток классифицируют в зависимости от их происхождения на экзогенные или эндогенные, инфекционные или неинфекционные

-Физические факторы повреждения

Механические (удары, растяжения, сдавление); температурные (Повышение приводит к денатурации белка, нуклеиновых кислот, декомпозиции ЛП, повышению проницаемости клеточных мембран. снижение температуры замедляет или прекращает внутриклеточные метаболические процессы и может привести к кристаллизации внутриклеточной жидкости и разрывам мембран, что означает гибель клетки.); осмотические (Снижение внутриклеточного осмотического давления или повышение его во внеклеточной среде приводит к потере клеточной жидкости и гибели клетки); свободнорадикальные (избыток свободных радикалов и продуктов активации липопероксидных процессов повреждают мембраны и денатурируют белки). Патогенное действие на клетку могут оказывать также ионизирующая радиация, электромагнитные факторы и другие агенты физического характера.

-Химические факторы повреждения

К ним относятся органические и неорганические кислоты и щёлочи, соли тяжёлых металлов, цитотоксические соединения и многие ЛС. Повреждение клетки может возникать как при избытке, так и при дефиците одного и того же агента. Например, избыточное содержание кислорода в тканях активирует процесс свободнорадикального перекисного окисления липидов (СПОЛ), продукты которого необратимо повреждают ферменты и мембраны клеток; с другой стороны, снижение содержания кислорода приводит к нарушениям окислительных процессов, понижению образования АТФ и как следствие — к расстройствам функций клетки.

Цитотоксические соединения

Классические примеры цитотоксических соединений — ингибиторы ферментов.

Лекарственные средства

Неправильное применение ЛС (чаще в виде передозировки) может привести к повреждению клеток.

-Биологические факторы повреждения

К ним относят главным образом инфекционные агенты и цитотоксические факторы системы ИБН.

Инфекционные агенты

Инфекционные агенты (вирусы, риккетсии, микробы, гельминты, грибы, прионы) как сами по себе, так и Эндо‑ и экзотоксины, а также структурные компоненты бактерий, вирусов и паразитов могут изменять антигенный состав клетки.

Эффекты повреждающих факторов

Действие повреждающих факторов на клетки осуществляется прямо (первичные факторы повреждения) или опосредованно.

Эффект повреждающего фактора может быть обратимым или необратимым.

2. Проявления повреждений клеток

Любое повреждение клетки вызывает специфические и неспецифические изменения

Специфические изменения клеток при повреждении

• Осмотическое давление. Повышение осмотического давления в клетке сопровождается её гипергидратацией, растяжением мембран и нарушением их целостности.

• Разобщители. Под влиянием разобщителей окисления и фосфорилирования (например, высших жирных кислот — ВЖК, Ca²⁺) снижается или блокируется сопряжение этих процессов и уменьшается эффективность биологического окисления.

• Гиперальдостеронемия. Повышенное содержание в крови гормона коры надпочечников — альдостерона ведёт к накоплению в клетке Na⁺.

Действие различных повреждающих агентов на определённые виды клеток вызывает специфические для этих клеток изменения.

Например, влияние разнообразных (химических, физических, биологических) патогенных факторов значительной силы на мышечные элементы сопровождается развитием контрактуры, на эритроциты — их гемолизом и выходом Hb.

Неспецифические изменения клеток при повреждении

Неспецифические (стереотипные, стандартные) изменения в клетках находят при альтерации различных видов клеток и действии на них широкого спектра патогенных агентов:

• гипоксии;

• ацидоза;

• чрезмерной активации свободнорадикальных и перекисных реакций;

• денатурации молекул белка;

• повышения проницаемости клеточных мембран;

• дисбаланса ионов и воды.

Выявление конкретных специфических и неспецифических изменений в клетках дает возможность судить о специфике и силе действия патогенного фактора, о степени и масштабе повреждения, а также об эффективности (или неэффективности) лекарственных средств

3.Нарушение строения и функций субклеточных структур

Повреждение эпс при воздействии различных факторов ведет к ее распаду и уменьшению числу рибосом

Набухание митохондрий- при гипоксии, токсических отравлениях, инф-х заб-ях. Набухание сначала приводит к разрывам наружной мембране, а затем к гибели

Повреждение лизосом- ферменты лизосом освобождаются в цитоплазму и вызывают повреждение субкл. Структур, что приводит к гибели Кл.

4. общие механизмы повреждения

Расстройства энергетического обеспечения клетки Снижение интенсивности и/или эффективности ресинтеза АТФ Нарушение транспорта энергии АТФ Нарушение использования энергии АТФ Повреждение мембран и ферментов клетки Чрезмерное образование активных форм кислорода, интенсификация свободнорадикальных реакций и СПОЛ Значительная активация гидролаз (лизосомальных, мембраносвязанных, свободных). Внедрение амфифильных соединений в липидную фазу мембран и их детергентное действие Торможение ресинтеза повреждённых компонентов мембран и/или синтеза их de novo Нарушение конформации макромолекул белка, ЛП, фосфолипидов Перерастяжение и разрыв мембран набухших клеток и/или их органелл Дисбаланс ионов и воды в клетке Изменение соотношения отдельных ионов в цитозоле Нарушение трансмембранного соотношения ионов Гипергидратация клеток Гипогидратация клеток Нарушения электрогенеза Нарушения в геноме и/или механизмов экспрессии генов Мутации Дерепрессия патогенных генов Репрессия жизненно важных генов Трансфекция (внедрение в геном чужеродной ДНК) Дефекты транскрипции, процессинга, трансляции, посттрансляционной модификации Дефекты репликации и репарации Нарушение митоза и мейоза Расстройства регуляции функций клеток Нарушение рецепции регулирующих воздействий Образование вторых посредников Расстройства регуляции метаболических процессов в клетке

5.Дисбаланс ионов и воды

Дисбаланс ионов и воды в клетке развивается одновременно с расстройствами энергетического обеспечения и повреждением мембран и ферментов. изменяется трансмембранный перенос многих ионов. это K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^–, т.е. ионам, которые принимают участие в таких жизненно важных процессах, как возбуждение, проведение потенциалов действия (ПД), электромеханическое сопряжение и др.

Ионный дисбаланс характеризуется изменением соотношения отдельных ионов в цитозоле и нарушением трансмембранного соотношения ионов как по обе стороны плазмолеммы, так и внутриклеточных мембран.

Проявления ионного дисбаланса

Вследствие нарушения работы Na⁺,K⁺‑АТФазы плазмолеммы происходит:

• накопление в цитозоле клетки избытка Na⁺;

• потеря клеткой K⁺;

При нарушении работы Na⁺‑Ca²⁺–ионообменного механизма плазмолеммы (обмен двух Na⁺, входящих в клетку, на один Ca²⁺, выходящий из неё), а также Ca²⁺‑АТФаз происходит увеличение содержания Ca²⁺ в цитозоле

Последствия ионного дисбаланса

Важными последствиями ионного дисбаланса являются изменения объёма клеток и клеточных органоидов (гипо– и гипергидратация), а также нарушения электрогенеза в возбудимых клеточных элементах (например, в кардиомиоцитах, нейронах, скелетных мышечных волокнах, гладкомышечных клетках — ГМК).

6.Свободнорадикальные реакции

Свободнорадикальные процессы и реакции (СП) - необходимы для транспорта электронов в цепи дыхательных ферментов, синтеза Пг и лейкотриенов, пролиферация и дифференцировка клеток, фагоцитоз, метаболизм катехоламинов и др. В реакции СП могут вовлекаться белки, нуклеиновые кислоты, липиды, в особенности фосфолипиды. СП важна для регуляции липидного состава биомембран и активности ферментов. Интенсивность СП регулируется соотношением факторов, активирующих (прооксидантов) и подавляющих (антиоксидантов) этот процесс К числу наиболее активных прооксидантов относятся легко окисляющиеся соединения, индуцирующие появление свободных радикалов, в частности нафтохиноны, витамины A и D, восстановители — НАДФН₂, НАДН₂, липоевая кислота, продукты метаболизма Пг и катехоламинов.

7.Повреждение мембран и ферментов

Повреждение клеточных мембран и ферментов играет существенную роль в расстройстве жизнедеятельности клетки, а также — что особенно важно — в переходе обратимых изменений в ней в необратимые.

Увеличение проницаемости цпм и нарушение клеточной энергетики. Увеличение проницаемости кальция внутрь клетки, выход калия из клетки что приводит к нарушению цитоскелета, активации сократительных структур, образованию нерастворимых включений кальция в матриксе митохондрий, повреждению внутриклеточных мембран и нарушению метаболизма. Нарушается функционирование белковых систем из-за недостатка атф, изменения рн, снижение мембранного потенциала Следовательно, в результате изменений ионного состава цитоплазмы, рн, нарушаются внутриклеточные барьеры, что ведет к изменению активности ферментов

8.Расстройства энергетического обеспечения клетки

Энергетическое обеспечение клеток осуществляется за счёт АТФ, образующейся в митохондриях и в меньшей мере — в реакциях гликолиза в цитозоле.

Нарушения ресинтеза АТФ

Ресинтез АТФ нарушается в результате дефицита кислорода и/или субстратов метаболизма, снижения активности ферментов тканевого дыхания и гликолиза, повреждения и разрушения митохондрий, в которых осуществляются реакции цикла Кребса и перенос электронов к молекулярному кислороду, сопряжённый с фосфорилированием АДФ.

Расстройства транспорта энергии

Заключённая в макроэргических связях энергия АТФ в норме доставляется от мест ресинтеза — митохондрий и цитозоля — к эффекторным структурам (миофибриллам, мембранным ионным насосам и др.) с помощью АДФ‑АТФ‑транслоказы (адениннуклеотидилтрансферазы) и КФК.

Адениннуклеотидилтрансфераза обеспечивает транспорт энергии макроэргической фосфатной связи АТФ из матрикса митохондрий через их внутреннюю мембрану, а КФК переносит её далее на креатин с образованием креатинфосфата, который поступает в цитозоль (рис. 4–3). КФК эффекторных клеточных структур транспортирует фосфатную группу креатинфосфата на АДФ с образованием АТФ, который и используется в процессах жизнедеятельности клетки.

Системы транспорта энергии могут быть повреждены различными патогенными агентами, в связи с чем (даже на фоне высокого общего содержания АТФ в клетке) может развиваться дефицит АТФ в энергорасходующих структурах.

Расстройство механизмов использования энергии

Нарушения энергообеспечения клеток и расстройства их жизнедеятельности могут развиваться в результате повреждения механизмов утилизации энергии, главным образом за счёт уменьшения активности АТФаз (АТФаза миозина, Na⁺,K⁺‑АТФаза плазмолеммы, протонная и калиевая АТФаза, Са²⁺‑АТФаза [Са²⁺‑насос] и др.). Следовательно, расстройство жизнедеятельности клеток может развиваться даже в условиях нормального или повышенного содержания в клетке АТФ.

Нарушение энергообеспечения, в свою очередь, может стать одним из факторов расстройств функции мембранного аппарата клеток, их ферментных систем, процессов транспорта ионов и воды, а также механизмов регуляции клетки.

9.Генетические нарушения

Повреждения генома, репликации и репарации ДНК, клеточного цикла - это механизмы альтерации, имеющие фатальные последствия. Эти повреждения играют существенную роль в процессах онкогенеза.

Причины

Повреждение клетки и её гибель могут произойти при прямом или опосредованном действии на генетический аппарат клетки патогенных агентов различного характера. Нарушения структуры ДНК и/или её деградация часто являются пусковым звеном насильственной гибели клетки.

Механизмы

К числу наиболее существенных механизмов нарушения генетической информации клетки относятся:

• мутации;

• неконтролируемая дерепрессия генов (например, онкогенов или генов апоптоза);

• подавление активности жизненно важных генов (например, программирующих синтез ферментов);

• трансфекция (внедрение в геном чужеродной ДНК, например ДНК вируса герпеса или опухоли);

• нарушения репарации ДНК.

Последствия

• Энзимопатии (нарушения структуры и функции энзимов и ферментативного катализа, что фатальным образом сказывается на всех сторонах жизнедеятельности клеток; например, многие из тысяч моногенных заболеваний являются следствием дефекта генов, кодирующих структуру ферментов).

• Нарушения клеточного цикла (дефекты даже одного из сотен факторов, регулирующих клеточный цикл, неизбежно приводят к расстройству пролиферации клеток, в том числе — к бесконтрольному размножению повреждённой клетки и формированию малигнизированных клонов).

• Активация онкогенов (этот процесс является ключевым звеном канцерогенеза).

• Неконтролируемая активация апоптоза (приводящая, например, к иммунодефицитным состояниям или гипотрофии тканей и органов).

10. Повышение устойчивости клеток к повреждению

Мероприятия и средства активного повышения устойчивости клеток к действию патогенных факторов и стимуляции адаптивных механизмов при повреждении клеток

Профилактические и лечебные мероприятия

Агенты, имеющие целью защиту интактных клеток от повреждения (профилактические) или стимуляцию адаптивных механизмов при их альтерации (лечебные), подразделяют на немедикаментозные, медикаментозные и комбинированные.

Немедикаментозные средства применяют главным образом с целью профилактики повреждения клетки. Немедикаментозные средства повышают устойчивость клеток органов и тканей, а также организма в целом к ряду патогенных агентов. Пример Тренировка организма (по определённой схеме) умеренной гипоксией, стрессорными факторами, физическими нагрузками и охлаждением увеличивает резистентность к значительной гипоксии, ишемии, холоду, инфекционным агентам, ионизирующей радиации и другим агентам.

Медикаментозные средства Лекарственные средства (ЛС) применяют в основном для активации адаптивных механизмов после воздействия патогенного агента. Большинство ЛС применяется с целью этиотропной или патогенетической терапии.

Комбинированные воздействия

Комбинированные воздействия дают наибольший эффект: как лечебный, так и профилактический. Этиотропные, саногенетические и патогенетические воздействия

Этиотропные воздействия направлены на устранение, прекращение, уменьшение силы и/или длительности действия патогенных факторов на клетки, а также устранение условий, способствующих реализации этого действия.

Саногенетические мероприятия имеют целью активацию адаптивных механизмов (компенсации, защиты, восстановления и приспособления клеток) к изменившимся условиям.

Патогенетические воздействия направлены на разрыв звеньев механизма развития (патогенеза) патологического процесса. Принципы патогенетической терапии направлены на коррекцию и защиту механизмов энергоснабжения клеток, защиту их мембран и ферментов, коррекцию и защиту механизмов трансмембранного переноса, внутриклеточного распределения ионов и контроля объёма клеток, а также на предотвращение действия факторов, вызывающих изменения в генетическом аппарате клеток и коррекцию регуляторных влияний на клетки.

11.Гипертрофия, гиперплазия и их роль в адаптации клетки

Гипертрофия- характерно увеличение размеров и массы клетки. Нередко это сопровождается увеличением числа клеток( гиперплазия). Выделяют патологическую и физиологическую

Физиологическая- носит адаптивный характер( увл. Мышц у спортсменов).

Патологическая может быть

-рабочая при постоянно повышенной нагрузке

-викарная(рабочая) заместительная при удалении одного из парных органов

-нейрогуморальная при нарушении нейрогуморальной регуляции( акромегалия, гинекомастия и т.д)

12.АДАПТАЦИЯ КЛЕТОК

Действие на клетку патогенных факторов сопровождается активацией (или включением) различных реакций и процессов, направленных на устранение либо уменьшение степени повреждения и его последствий, а также обеспечивающих устойчивость клеток к повреждению. Совокупность этих реакций обеспечивает приспособление (адаптацию) клетки к изменившимся условиям её жизнедеятельности.

Механизмы адаптации клеток к повреждению Внутриклеточные адаптивные механизмы

К внутриклеточным адаптивным механизмам относят следующие реакции и процессы.

Компенсация нарушений энергетического обеспечения клетки; Защита мембран и ферментов клетки; Уменьшение выраженности или устранение дисбаланса ионов и воды в клетке; Устранение дефектов генетической программы клетки и механизмов её реализации; Компенсация расстройств механизмов регуляции внутриклеточных процессов; Снижение функциональной активности клеток; Регенерация; Гипертрофия; Гиперплазия.

13.Гибель клетки

Некроз — смерть повреждённой клетки, сопровождающаяся необратимым прекращением её жизнедеятельности. Некроз является завершающим этапом клеточных дистрофий или следствием прямого действия на клетку повреждающих факторов значительной (разрушающей) силы. Некроз, как правило, сопровождается воспалительной реакцией. Некрозу предшествуют паранекроз (метаболические и структурные изменения ещё обратимы) и некробиоз. На этапе некробиоза патогенные изменения приобретают необратимый характер и приводят к некрозу. Некротизированные клетки подвергаются деструкции (лизису) при помощи лизосомных ферментов и свободных радикалов.

• Гидролиз внутриклеточных компонентов и межклеточного вещества происходит под влиянием ферментов лизосом. Высвобождению лизосомных ферментов способствует развитие внутриклеточного ацидоза.

• Деструкция повреждённых компонентов клеток осуществляется при участии активных форм кислорода и свободных радикалов.

Эти два механизма обеспечивают саморазрушение структур клетки (аутолиз).

Разрушение повреждённых и некротизированных клеток происходит и при участии других клеток — фагоцитов, а также микроорганизмов. В отличие от аутолитического распада, последний механизм обозначают как гетеролитический.

Апоптоз

Апоптоз — программируемая гибель клетки. В этом его принципиальное отличие от некроза.

Другое важное отличие апоптоза от некроза состоит в том, что программу апоптоза запускает информационный сигнал, тогда как некроз клеток развивается под непосредственным влиянием повреждающего агента.

В финале некроза происходит лизис клеток и освобождение их содержимого в межклеточное пространство. В связи с этим, в зоне некроза развивается воспаление. Апоптоз же завершается фагоцитозом фрагментов разрушенной клетки и признаки воспаления, как правило, отсутствуют.

Некроз — всегда результат действия патогенного фактора значительной силы. Апоптоз, в отличие от этого, наблюдается в ходе многих физиологических процессов, а также при адаптации клетки к факторам среды.

Апоптоз — в отличие от некроза — энергозависим, требует синтеза РНК и белков.

Проявления апоптоза

При апоптозе цитоплазма клетки уплотняется, конденсируется хроматин, ядро подвергается пикнозу с последующим кариорексисом.

Фрагментации ядра предшествует Распад ДНК на отдельные нуклеосомные фрагменты с разрывами нуклеотидной цепочки приводит к появлению фрагментов ДНК разной длины.

В конечной стадии апоптоза фрагментации подвергаются сами клетки с формированием так называемых апоптозных телец — окружённых мембраной фрагментов клеток, включающих остатки органелл, цитолеммы, цитоплазмы, хроматина.

Клетки, вошедшие в апоптоз, и апоптозные тельца фагоцитируются макрофагами и гранулоцитами; фагоцитоз при этом не сопровождается местным воспалением.

Механизм апоптоза

В процессе реализации апоптоза условно выделяют четыре стадии. Стадия инициации На этой стадии информационные сигналы рецептируются клеткой. Патогенный агент либо сам является сигналом, либо обусловливает генерацию сигнала в клетке и его проведение к внутриклеточным регуляторным структурам и молекулам . Инициирующие апоптоз стимулы могут быть трансмембранными или внутриклеточными.

• Трансмембранные сигналы подразделяют на отрицательные, положительные и смешанные.

† Отрицательные сигналы: отсутствие или прекращение воздействия на клетку факторов роста, цитокинов, регулирующих деление и созревание клетки, а также гормонов, контролирующих развитие клеток.

† Положительные сигналы в итоге генерируют запуск программы апоптоза.

† Смешанные сигналы являются комбинацией воздействий сигналов первой и второй групп.

• Среди внутриклеточных стимулов апоптоза наибольшее значение имеют избыток H⁺, свободные радикалы липидов и других веществ, повышенная температура, внутриклеточные вирусы и гормоны, реализующие свой эффект через ядерные рецепторы (например, глюкокортикоиды).

Стадия программирования На этой стадии специализированные белки либо реализуют сигнал к апоптозу путём активации исполнительной программы, либо блокируют потенциально летальный сигнал.

Выделяют два варианта реализации стадии программирования: 1. Прямая активация эффекторных каспаз и эндонуклеаз (минуя геном клетки) и 2. Опосредованная их активация через экспрессию определенных генов.

Прямая передача сигнала осуществляется через адапторные белки, гранзимы и цитохром С

• Адапторные белки. В качестве адапторного белка выступает, например, каспаза–8. Так реализуют своё действие цитокины T-лимфоцитов–киллеров в отношении чужеродных клеток, ФНО и другие лиганды CD95.

• Цитохром C. Выделяясь из митохондрий, цитохром c вместе с белком Apaf–1 и каспазой–9 формирует комплекс активации (апоптосому) эффекторных каспаз. Каспаза–8 и каспаза–9 активируют эффекторные каспазы (например, каспазу–3), которые участвуют в протеолизе белков.

• Гранзимы. Эти протеазы выделяют цитотоксические T-лимфоциты. Протеазы могут проникать в клетки‑мишени через цитоплазматические поры, предварительно сформированные перфоринами. Гранзимы активируют аспартатспецифические цистеиновые протеазы клетки‑мишени, подвергающейся апоптозу.

Прямая передача сигнала наблюдается обычно в безъядерных клетках, например, эритроцитах.

Опосредованная передача сигнала подразумевает репрессию генов, кодирующих ингибиторы апоптоза и экспрессию генов, кодирующих промоторы апоптоза.

Белки‑ингибиторы апоптоза (например, продукты экспрессии антиапоптозных генов Bcl–2, Bcl‑XL) блокируют апоптоз (например, путём уменьшения проницаемости мембран митохондрий, тем самым уменьшая вероятность выхода в цитозоль одного из пусковых факторов апоптоза — цитохрома C).

Белки‑промоторы апоптоза (например, белки, синтез которых контролируется генами Bad, Bax, антионкогенами Rb или p⁵³) активируют эффекторные каспазы и эндонуклеазы.

Стадия реализации программы

Стадия реализации программы апоптоза (исполнительная, эффекторная) состоит в собственно гибели клетки, осуществляемой посредством активации протеаз и эндонуклеаз

Непосредственными исполнителями процесса «умертвления» клетки являются Ca²⁺,Mg²⁺‑зависимые эндонуклеазы (катализируют распад нуклеиновых кислот) и эффекторные каспазы (подвергают протеолитическому расщеплению различные белки, в том числе белки цитоскелета, ядра, регуляторные белки и ферменты).

В результате разрушения белков и хроматина в процессе апоптоза клетка подвергается деструкции. В ней формируются и от неё отпочковываются фрагменты, содержащие остатки органелл, цитоплазмы, хроматина и цитолеммы — апоптозные тельца.

Стадия удаления фрагментов погибших клеток

На поверхности апоптозных телец экспрессируются лиганды, с которыми взаимодействуют рецепторы фагоцитирующих клеток. Фагоциты обнаруживают, поглощают и разрушают апоптозные тельца. Благодаря этому, содержимое разрушенной клетки не попадает в межклеточное пространство, а при апоптозе отсутствует воспалительная реакция. Этот признак отличает апоптоз от некроза, который сопровождается развитием перинекротического воспаления.